Geotecnia de Suelos Peruanos

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS

CASOS DE CIMENTACIONES ESPECIALES EN EL PERU

A. CARRILLO GIL, I. C.,M en I Profesor Emérito de la UNI Profesor de Ingeniería Civil URP Presidente de A. Carrillo Gil S.A. Ingenieros Consultores

INTRODUCCION

Numerosos casos de fallas en cimentaciones han ocurrido en los últimos años en el país, debido en parte al desconocimiento del comportamiento de cierto tipo de suelos de cimentación, y por otro lado a la incompetencia o negligencia, que se refleja generalmente en la incapacidad de hacer lo que es requerido para un proyecto determinado, tal como en muchos casos hemos establecido después de producida la falla. Extensas áreas de nuestro país presentan suelos colapsables, expansivos y de rellenos sueltos, etc., que deben ser estudiados convenientemente para utilizarlos como soporte en obras de ingeniería de poca o gran envergadura, dado a que presentan problemas principalmente de deformación por cambio de volumen del suelo, casi siempre por presencia de filtraciones de agua en exceso del contenido de humedad natural. Estos suelos han llamado la atención también en muchas partes del mundo y han sido materia de numerosas presentaciones en Congresos Internacionales y reuniones técnicas desde hace varias décadas, destacando las últimas ocurridas en nuestra región : la 7a. Sesión del XII Congreso Internacional de Mecánica de Suelos llevada a cabo en Río de Janeiro, Brasil en 1989 y la Sesión sobre Propiedades Geotécnicas de los Suelos de América, del IX Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos de Viña del Mar, Chile, en 1991. El autor del presente documento también ha venido haciendo numerosas evaluaciones de los suelos especiales de nuestro país. El comportamiento de los suelos colapsibles fue presentado en Colombia (1) y en Arequipa (2), así como los suelos expansivos en Texas Texas y Denver, USA. (3), (16); Caracas, Venezuela (4), Bahía Blanca y Buenos Aires, Argentina (5), (6) y recientemente en Viña del Mar, Chile (7), así como en numerosas conferencias nacionales, lo que nos ha permitido acumular alguna experiencia que es motivo de la presentación del presente trabajo, tratando de mostrar resultados prácticos que permitan


caracterizar estos suelos y manejarlos con cuidado para que no produzcan daños en las futuras obras de ingeniería que se construyan en el país.

CASOS DE CIMENTACION EN SUELOS COLAPSABLES

Los suelos colapsables son materiales cuyo volumen disminuye rápidamente al contacto con el agua, lo que trae asociado una pérdida rápida de resistencia y un desmoronamiento de su estructura interna. El colapso es la disminución instantánea y espontánea de volumen que experimenta un suelo no saturado y sometido a sobrecarga al alcanzar cierto grado de humedad cercano a la saturación. El aumento de humedad en los suelos podría deberse fundamentalmente a riego de jardines, lluvias, inundaciones, ascenso de napa freática, filtraciones del sistema de agua potable y roturas accidentales de ductos durante terremotos. Los siguientes términos han sido aplicados a este fenómeno: colapso, hidroconsolidación, hidrocompresión, hidrocompactación. La literatura especializada ha denominado al fenómeno colapso y al suelo que lo sufre colapsible o colapsable. Este fenómeno es de estudio reciente y aunque esta situación fue reconocida tempranamente por Terzaghi, sólo después de la II Guerra Mundial se comienza a mencionar este problema (8). Los suelos colapsables son abundantes en muchas partes del mundo, llegándose a la conclusión que este fenómeno ocurre en una gran variedad de suelos de cimentación, incluso en terreno compactado y muy especialmente en zonas áridas, en las cuales existen condiciones de desecación, debido a lo prolongado de las sequías y a la profundidad que se encuentra el agua freática. Se han detectado suelos colapsables en Europa, Sudáfrica, parte de Asia, Norteamérica y Sudamérica. En países como USA, España, Rusia, Rumania, Francia, Alemania, China, Uruguay, Argentina y Perú entre otros. En USA se encuentran los suelos del Valle Central de California (Valle de San Joaquín), donde llegaron a producirse asientos de 4 a 5 m por esta causa, por ello se afirma que la aridez del clima parece tener más importancia que el modo de deposición. Se admite que hay suelos colapsables de formación eólica, coluvial, aluvial, residual, ceniza volcánica y rellenos hechos por el hombre. Investigaciones efectuadas en México, afirman que todos los problemas de colapso que se han estudiado hasta el momento han ocurrido en suelos que presentaban características fundamentales en común. Por un lado una estructura suelta manifestada,


por ejemplo, por una relación de vacíos relativamente alta y por otra lado, un contenido de agua menor que el correspondiente a la saturación. En España se afirma, que pueden considerarse mecanismos de colapso que varían en función del tipo de estructura, del contenido de las partículas y de sus enlaces, del tipo de deposición del material y del contenido de humedad. En Rumania se ha establecido que los suelos propensos a colapsar muestran una estructura de forma de panal y partículas redondas con algún tipo de cementación, y que esta se ve destruida cuando el material absorbe agua hasta saturar, produciéndose un derrumbe de los granos hacia el vacío intergranular. En nuestro país, el fenómeno se ha presentado en suelos limo-arenosos sueltos, suelos coluviales de relleno y de origen volcánico, entre otros. Una característica esencial de nuestros suelos colapsables es que tienen una densidad baja y un grado de saturación también bajo, todo parece indicar que al disminuir el grado de saturación la susceptibilidad al colapso es mayor, esta es la razón por la que los problemas tienden a aparecer con mayor frecuencia en las zonas de fuerte desecación, también exhiben una cohesión temporal como resultado de la presencia de materiales cementantes tales como el yeso y el carbonato de calcio. La cohesión aparente es el resultado de la resistencia friccional al corte en la cual los esfuerzos normales efectivos provienen de la presión de poro negativa que es la succión en el suelo (1). En todo caso la condición de clima árido o de intensa evaporación superficial no es indispensable, ya que han ocurrido casos de colapso cuando se humedecen suelos también en regiones no áridas. En general, los cambios de los factores externos, la humedad principalmente y la naturaleza del electrolito que interviene en el fenómeno, son los que de una forma u otra, afectan la matriz succión del suelo (diferencia entre la presión del aire y del agua), a los enlaces y pueden causar el cambio brusco de volumen que se denomina colapso. La causa desencadenante del colapso es la presencia de agua, conjuntamente con un esfuerzo significativo aplicado. Los mecanismos de colapso pueden variar en función del contenido mineralógico de las partículas y de sus enlaces, del tipo de estructura, del tipo de deposición del material, del contenido de humedad y otros factores de naturaleza electro-química. En la mayoría de los casos de colapso investigados por nosotros hasta la fecha son suelos con estructura panaloide y granos redondeados unidos entre si por alguna clase de cementación (2). En todos los casos, esta cementación era susceptible de ser disuelta cuando el suelo absorbía agua. El mecanismo de colapso es lógicamente un derrumbe de


los granos hacia los vacíos, precisamente cuando desaparece la cementación entre ellos. Así hemos detectado que los mecanismos de colapsos más frecuentes en suelos granulares secos son la disolución de la cementación por sales solubles o la destrucción, de un ordenamiento paralelo de agregados de arcilla residual que enlazaban a. los granos. En suelos granulares semi-saturados es la pérdida de la resistencia al corte temporal entre los granos dada por la tensión capilar negativa entre ellos. En arcillas el mecanismo es la reorientación de las partículas desde una estructura floculada hacia formas mas dispersas. En nuestro país han ocurrido casos de fallas en suelos colapsables que los hemos

Fig. 1 CRITERIO DE IDENTIFICACIÓN DE SUELOS COLAPSABLES (U.S.B.R.)

estudiado detenidamente en Pisco (9) La Joya (10), y últimamente en Ventanilla entre otros numerosos, que nos han permitido verificar algunos métodos simples de identificación de estos suelos, los mismos que se indican en la Tabla I y la Figura 1,


estableciéndose además una comparación entre la cantidad de sales solubles en los suelos colapsables de Ventanilla, Pisco y La Joya con la agresividad sulfática correspondiente, con el fin de probar que un suelo altamente colapsable también puede presentar severa agresividad sulfática al mismo tiempo que suelos con insignificantes cantidades de sales solubles (caso de Ventanilla), no necesariamente tienen que ser altamente agresivos al cemento y menos por esta causa originar asentamientos importantes como los que se presentaron en este lugar, ya que de las investigaciones técnicamente llevadas a cabo se determinó que en la mayoría de los casos los asentamientos, en los suelos sueltos de origen coluvial de Ventanilla, se habían producido por graves defectos constructivos tales como cimentación sobre rellenos no compactos y conexiones domiciliarias de servicios de agua y desagüe con graves defectos de instalación y calidad de sus materiales (Figura 2). TABLA I VALORES DE POTENCIAL DE COLAPSO DEFORMACIÓN UNITARIA POR SATURACIÓN (%)

SEVERIDAD DEL PROBLEMA

0 - 1

SIN PROBLEMA

1 - 5

PROBLEMA MODERADO

5 - 10

PROBLEMA

10 - 20

PROBLEMA SEVERO

MAYOR DE 20

PROBLEMA MUY SEVERO

CASO DE CIMENTACION EN SUELOS EXPANSIVOS

Todos los suelos arcillosos se contraen durante el secado y se expanden cuando son humedecidos, sin embargo los mayores problemas por cambio de volumen son causados por suelos que contienen una cantidad significativa de mineral montmorillonita y que normalmente exhiben limites líquidos superiores a 50%, alto contenido de coloides é índices de plasticidad elevados.


Fig. 2 SALES SOLUBLES vs. AGRESIVIDAD SULFÁTICA EN LOS SUELOS COLAPSABLES ESTUDIADOS

Extensas áreas del norte de nuestro país están conformadas por suelos arcillosos de alto poder expansivo, lo que ha dado lugar al desarrollo del estudio de estos suelos en los últimos tiempos, principalmente en zonas que comprometen áreas de expansión urbana y donde ha sido necesario construir caminos, aeropuertos, proyectos de irrigación y edificaciones de todo tipo, esencialmente livianas y de bajo costo (11). Las arcillas son coloides con propiedades eléctricas tales que originan fuerzas de interacción, o fuerzas físico-químicas, entre sus partículas o entre sus partículas y el agua; considerándose que el proceso expansivo se debe a un decrecimiento de los esfuerzo efectivos como una manifestación de las fuerzas repulsivas que actúan entre las partículas del suelo, las mismas que son originadas por los iones del componente difuso de la doble capa de agua que lo rodea, la cual causa rechazo en las superficies coloides cargadas. El autor de este trabajo desde el año 1965 viene estudiando los problemas de las arcillas expansivas del norte del Perú, donde aparentemente son los movimientos irreversibles los


que predominan en las arcillas y clima del lugar, levantamientos que son similares a los ocurridos en otras partes del mundo (3), siendo menos predominantes los debidos a cambios de clima seco a lluvioso y aún menos importantes los movimientos anuales periódicos, hecho afortunado de nuestra parte ya que estudios efectuados en diferentes países que sufren este mismo fenómeno indican que los movimientos debidos a la variación estacional son mucho más peligrosos que los movimientos irreversibles. Se ha establecido que el grado de expansión de los suelos arcillosos expansivos del Perú fluctúa de mediano a muy alto para hinchamiento libre medido en más de 2,000 especimenes de suelos típicos que varían de un mínimo de 5% a un máximo de 92% (caso excepcional de algunas arcillas de Talara), acusando la mayoría de ellos pesos unitarios promedio de 1.90 gr/cm3 en estado seco y de 1.80 a 2.00 gr/cm3 en estado natural (6). Resultados de investigaciones efectuadas en este tipo de suelos por el autor indican coincidencia con los presentados en el trabajo de MARIN - NIETO (12), encontrando que para el caso de las arcillas peruanas el limite de contracción evaluado tiene una variación de 13% a 22% para suelos expansivos que han causado graves problemas en las edificaciones, datos que no correlacionan con experiencias de otros lugares en los que se predicen grandes cambios de volumen para limites de contracción menores de 10. Esta misma situación ha sido también reportada por otros investigadores en USA.(13) y posteriormente en Israel (14) coincidiendo en que los suelos altamente expansivos pueden sufrir también grandes contracciones (7). Por otro lado, resultados de ensayos efectuados para establecer la "actividad de las arcillas", índice que se correlaciona con la mineralogía o historia geológica, de las muestras (15), indican que tampoco pueden tomarse como validos para los suelos expansivos de Perú. En las arcillas peruanas se ha evaluado la "actividad" para un número importante de muestras de suelo, calculándose sus respectivos índices de plasticidad y porcentaje de partículas de arcilla para compararlas con las correspondientes curvas termodiferenciales de los ensayos mineralógicos, encontrándose para suelos “activos" que la fracción arcilla consistía predominantemente de caolinita. A parte del caolín los miembros típicos de este grupo lo forman suelos derivados de erosión mecánica de rocas no arcillosas y arcillas post-glaciales o de estuario que subsecuentemente han sido depositadas en agua dulce. Algunos ensayos químicos efectuados en estos suelos denotan la presencia de carbonatos con un pH de 8 que corresponde a suelos básicos y con presencia en ellos del ion sulfato. En otro grupo de suelos ensayado, que se presume han sido formados por desecado normal y depositados en agua dulce, y que corresponden a arcillas marinas y de estuario con predominancia de ilitas como mineral de arcilla, se encontró muy poca coincidencia.


Por último, en un tercer grupo de muestras ensayadas que acusan actividad mayor de 1.25 y provienen de depósitos que contienen apreciable cantidad de coloides orgánicos y cuyo mineral predominante puede atribuirse a la montmorillonita cálcica, una sola muestra

Fig. 3.- CRITERIO DE IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS EN BASE A LOS LIMITES DE CONSISTENCIA

resultó con "actividad" mayor de 2 y procede de un lugar donde se detectaron daños importantes en las edificaciones de uno y dos pisos apoyadas en este suelo expansivo Estas muestras pueden corresponder a arcillas "bentoníticas" cuyo mineral predominante generalmente es la montmorillonita sódica. Similarmente para algunas muestras que


tienen características parecidas y en las que fue posible realizar ensayos químicos mas o menos completos, para actividades mayores de 2 se les puede considerar como montmorillonita sódica muy activa dado a que han producido también daños considerables, detectándose además la presencia de pequeños lentes de sales, deduciéndose que se trata de cloruro de sodio presumiblemente por el origen marino de la formación geológica de la zona. Sin embargo, las arcillas que originaron mayores daños y que han presentado expansión libre excepcional hasta de 92%, no acusaron actividad muy marcada, apenas 1.64 como máximo. De igual manera muestras de suelo extraídas de un mismo depósito y aún de lugares muy cercanos de un sondaje a otro, indicaron variaciones importantes con respecto a su “actividad",.por lo que es posible concluir que para algunos suelos expansivos de la región norte del Perú, el porcentaje de arcilla y los valores de contracción no pueden considerarse como validos para un buen diagnóstico de los minerales de arcilla constituyentes y consiguientemente de su probable grado de expansión, sin embargo, hemos encontrado coincidencia con el parámetro “gradiente mineral" propuesto por MARIN-NIETO (12) tal como se muestra en la figura 3, en la que se han ubicado diez valores típicos de arcillas expansivas peruanas junto a los resultados de los suelos ensayados en el Ecuador. Para contrarrestar los efectos que el suelo expansivo origina al producirse un cambio en su equilibrio de humedad, con el consiguiente aumento de volumen, es necesario adoptar una serie de procedimientos de construcción eligiendo el método más eficiente de acuerdo al medio ambiente y tipo de suelo, dándole el tratamiento adecuado que permita la cimentación en cada caso; tratamiento que dependerá no sólo de la forma y tipo de estructura o de la magnitud de la expansión a esperarse, sino también de otros factores adicionales, tales como la variación del rango de expansión en el área ocupada por la estructura, la variación del esfuerzo rotacional aplicado a la edificación como resultado de una expansión diferencial y por último la influencia de la práctica constructiva local o procedimientos de construcción utilizados en cada lugar y su incidencia en la magnitud de los daños originados por el proceso expansivo (16). De igual manera y consecuente con nuestra experiencia en los suelos expansivos del Perú y después de una evaluación de laboratorio muy numerosa hemos llegado a establecer una manera práctica de hallar el grado de expansión de las arcillas en función de sus constantes de identificación, tal como se muestra en la Tabla II:


TABLA II GRADO DE EXPANSION EN ARCILLAS PERUANAS % QUE PASA MALLA # 200

INDICE DE PLASTICIDAD

EXPANSION LIBRE PROBABLE (%)

GRADO DE EXPANSION

Mayor de 90

80 – 60

mayor de 50

MUY BAJO

Mayor de 85

25 – 30

20 – 40

ALTO

Mayor de 80

18 – 30

15 – 18

MEDIO

Mayor de 70

15 – 20

mayor de 10

BAJO

CASO DE CIMENTACIONES EN RELLENOS NO-COMPACTOS

En muchas áreas de las principales ciudades del país se encuentran rellenos de materiales diversos en estado suelto a medianamente compacto que originan movimientos que dañan las estructuras que se apoyan en ellas por mas livianas que sean. Estos materiales de relleno provienen generalmente del movimiento de tierras efectuado con anterioridad, acumulación de desmonte en excavaciones ú oquedades y en muchos casos basura que como es sabido, son materiales muy difíciles de estabilizar química o mecánicamente, por lo que debe tenerse mucho cuidado cuando aparece como suelo de cimentación, sobre todo cuando llegan a potencies que varían desde pocos metros hasta 7.00 y 15.00 m a más de profundidad y se detecta presencia de humedad importante. Los asentamientos de las cimentaciones construidas sobre material de relleno pueden tener lugar por tres causas diferentes: a) b) c)

Consolidación del relleno compresible bajo la carga transmitida por la cimentación. Densificación del relleno bajo su peso propio o por infiltración de agua. Consolidación del terreno natural situado bajo el relleno, por el peso combinado del relleno y la estructura.

El autor ha tenido la ocasión de estudiar muchos casos que coinciden dentro de la categoría de las causas mencionadas, para lo cual siempre será necesario practicar una minuciosa exploración del terreno (Figura4) así como la ejecución de ensayos de campo que permitan establecer las condiciones de resistencia y deformación de los suelos invo -


0 0 2 : 1 a l a c s E

E D S O T L E U S S D A O D N I E D L N L E U F R O N R O P C E D N Ó I S O C A R V T A E C M X 0 E 0 . A 7 N A U T S N E A H S E O L T E N O U S M E S E D D L I F R E P 4 . g i F


lucrados en el problema dentro de la profundidad que ocupan los materiales de relleno (Figura 5), estableciéndose probables deformaciones o falla por cortante de acuerdo con las cargas que pueden transmitir las estructuras correspondientes. En muchos casos ha sido posible encontrar una solución viable de estabilidad temporal o permanente y en otros ha sido- necesario recomendar eliminar los materiales sueltos o llevar la cimentación hasta niveles donde el suelo natural presenta aceptables condiciones de portancia debido a que se pueden generar movimientos del suelo de apoyo importantes, tal Como lo indica Meyerhof (17), para rellenos sin compactar que se consolidan bajo su propio peso, en los que se pueden esperar asentamientos que varían de 3% a 30% de la potencia del relleno investigado. En estos casos cuando el problema ya se ha presentado, es recomendable que las reparaciones se hagan después de haber solucionado la causa de los desordenes detectados, por que de lo contrario el mal se presentará nuevamente y quizá mucho más grave. En el caso de que se establezca durante el proyecto la posibilidad de daños, existen una serie de métodos que permiten dar al suelo un determinado tratamiento o mejoramiento, además del empleo de georedes. geotextiles ú otros materiales que actualmente se encuentran al alcance para dar adecuada solución a los problemas geotécnicos de este tipo. En otros casos la causa de la falla se ha originado por cambios en el proyecto que han modificado la ubicación de las estructuras, que cuando estas son importantes sufren daños irreparables. Caso de un espesador de relaves en un complejo Minero de los Andes Centrales de nuestro país, cuyo desplazamiento en la dirección SE originó mayor apoyo en relleno que en corte (Figura 6), sufriendo la fractura generalizada del espesador por asentamientos coincidentes con la mayor potencia del relleno, a pesar de que el apoyo se efectúo sobre un relleno artificial compactado; considerándose además efectos de contracción de fragua y diseño deficiente de las juntas de construcción así como carencia de juntas de dilatación en la losa armada inferior (18). En este caso se produjo un movimiento de rotación en la parte rellenada mayor de 70 mm (Figura 6b), así como falla en la cimentación del soporte central del equipo mecánico de la estructura. En la misma área también ocurrieron asentamientos de 18 mm a 120 mm en el edificio de Almacén y Taller (Figura 6c), apoyado sobre relleno compactado de 3.00 a 9,00 m de espesor, en donde también los mayores asentamientos coincidieron con el lugar de máxima potencia del relleno colocado. Estos casos indican que se debe tener sumo cuidado en apoyar estructuras sobre rellenos compactados artificialmente, sobre todo, aquellos que no pueden soportar asentamientos tolerables importantes, debiendo en todo caso verificarse la compacidad y portancia del apoyo, así como asegurarse de que no se produzca infiltración de agua que origine el posterior cambio de volumen del suelo, además de prever una adecuada comprobación de las predicciones por medio de un futuro monitoreo conveniente (19).


N E O N E L L E R E D A N . O Z O R A E N T E U R N E R A A I C C E N T E N T E S I U S P E N R U Y A S O O E Z S R C E C U F A S L E E E D S I S I L A N A 5 . g i F


COMENTARIOS FINALES Y CONCLUSIONES.

A menudo cuando ocurre un desastre, la falla coloca a los propietarios, proyectistas y constructores en la posición de adversarios. Casi siempre cualquier esfuerzo de solución es orientado hacia la protección de intereses económicos o prácticos lo que no siempre conduce a una buena determinación de las causas reales de la falla y menos a su adecuada solución, más aún cuando existe la influencia política, que en nuestro medio muchas veces se ha dado, orientando a la opinión pública hacia causas o hechos que justifican una mala ejecución de la obra o que enmascaran vicios de construcción. Otras veces las fallas se esconden o no son divulgadas técnicamente por temores inherentes a posiciones administrativas o políticas de los funcionarios responsables, evitando tomar en cuenta el antecedente para el diseño y construcción de obras futuras similares, aumentando enormemente la posibilidad de una repetición catastrófica de errores previos. Nosotros los Ingenieros Civiles podemos prevenir las fallas que ocurren en las cimentaciones si nos comprometemos a un formal acercamiento al problema y si podemos comprender bajo que circunstancias fallan los suelos permitiendo que se desarrollen condiciones de riesgo que resultan muchas veces después en catástrofes (20). Esto ha sido el principal objetivo de este trabajo tomando en consideración además que los análisis de confiabilidad y riesgo geotécnico son potencialmente más valiosos durante las primeras etapas de un proyecto de ingeniería, dado a que la decisión de proceder o no, ayudando a establecer criterios de diseño adecuados en los casos de apoyo en los suelos críticos del país (21), sin embargo, es conveniente indicar que siempre será útil mantener la continuidad entre el planeamiento, el diseño y la construcción que deben formar un solo proceso ya que algunas debilidades que existieran durante el diseño pueden hacerse latentes durante la construcción y las hipótesis de trabajo pueden modificarse para amoldarse mejor a la realidad del comportamiento del suelo, sea colapsable, expansivo o de cualquier otra tipo. Todo esto requiere, además de hacer uso de la observación y la comprobación de las predicciones, utilizando las experiencias pasadas y los métodos probados de solución que vienen a ser una necesidad en la práctica de la ingeniería del futuro, dado a que las ingenieros civiles debemos proyectar obras estables y económicas, considerando las necesidades interactuantes del medio ambiente y los limitados recursos económicos que disminuyen actualmente, todo lo cual impone a nuestra profesión la obligación de ejecutar buenos proyectos apoyados en estudios técnicamente bien ejecutados, por profesionales idóneos y con la experiencia necesaria para resolver los variados problemas que presentan los suelos en las diferentes regiones del Perú.


Y S E L V A A I L C I E R F I T E D R A R O O D N E A L S L E E P R S L E E L D E S D O A T L L N A E I F M A I V L O N M O Y R E S J U O T D N O E I R P M A E T U N Q E S O A D A 6 T . g C i A F P M O C

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS REFERENCIAS

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